工程科学与技术，国际期刊19（2016）1966完整文章A03190/304复合材料车削加工表面完整性分析杨巧，宁凡，郭培泉，杨柏，王守仁济南大学机械工程学院，山东250022阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年6月2日收到2016年7月27日修订2016年7月27日接受2016年8月18日在线发布保留字：复合材料网络强化表面粗糙度表面完整性车削加工A B S T R A C T采用金属压铸法制备了A03190/304复合材料网络增强体试件。采用单因素试验方法对A03190/304复合材料试件进行了车削试验，并对加工表面粗糙度和完整性进行了分析实验结果表明，加工表面粗糙度随切削速度的增加而减小，随进给量的增加而增大。加工表面粗糙度随切削深度的变化在车间操作的数值范围内变化不大。完整性研究表明，在加工过程中，有时会出现切屑的附着或嵌入及其划伤、基体与增强体之间的裂纹、增强体的剥离、增强体的凸起、基体的撕裂和基体的微裂纹等加工表面缺陷。试验结果表明，减小进给量、减小切削深度或提高切削速度，可以有效地控制已加工表面缺陷。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍以颗粒、晶须或丝材以及网络结构增强的铝合金制成的金属基复合材料，因其具有重量轻、耐低温、耐腐蚀、塑性好等优异性能而广泛应用于工业和工程领域[1这类复合材料的主要应用是航空航天、国防和汽车工业[5，6].当在产品中使用复合材料时，所产生的表面特性显著影响产品性能[7]。这些材料被称为难加工材料，因为加强元件的硬度和耐磨性。加工表面质量可以用两个术语来定义，即表面粗糙度和表面完整性。对金属基复合材料的切削加工作了一些介绍。其中一些是关于铝基合金的切削性能，如切削力，表面粗糙度[8另一 些是关于 加工表 面质量的 特征 [11 ， 12] 。钦 马亚 · 拉贾 尼Dandekar[13]提供了对文献的全面回顾，主要是最近10BiswajitDas[14]制造了一种原位多组分增强铝铜合金基金属基质*通讯作者。电子邮件地址：oss_guopq@ujn.edu.cn（P. Guo）。由Karabuk大学负责进行同行审查采用熔剂辅助合成（FAS）技术对Al-4. 5% Cu-TiC金属基复合材料进行了数控铣削加工，并尝试采用灰色-模糊算法[15]找出数控铣削Al-4.5% Cu-TiC 金 属 基 复 合 材 料 的 最 优 工 艺 参 数 水 平 GangadharuduTalla[16]尝试通过在煤油电介质中添加铝粉，使用EDM制造和加工铝/氧化铝MMC，结果显示，与传统EDM相比，MRR增加，表面粗糙度（Ra）降低。表面粗糙度（Ra）是加工过程中评价表面质量的最重要因素之一，表面质量影响工件的功能特性[17]。表面粗糙度是加工工艺设计中切削参数选择的重要约束之一。A03190/304复合材料是一种由网状结构增强体（304不锈钢）增强的金属（A03190铝合金）基复合材料。 相对于单相材料，它具有表观密度低、强度高和稳定性好的特点。然而，由于缺乏对网络增强金属基复合材料加工表面特性的研究，阻碍了其应用[3]。为了研究车削A03190/304复合材料时加工表面的粗糙度和完整性，进行了切削试验。2. A03190/304网络增强加强材料304是具有良好机械性能的最常见的镍铬不锈钢之一http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.07.0172215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchY. Qiao等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）19661967一圆柱形元件轴向元件b图1.一、（a）网络加固（1毫米直径）。（b）A03190/304复合材料试样。表1基体和增强体的力学性能。如图2所示。在整个试验过程中，刀具磨损轻微。因此，实验研究的重点是材料强度延伸（MPa）硬度（HB）屈服强度（MPa）伸长率（%）表面粗糙度和表面完整性。研究了车削参数对表面形貌的影响，304 520 187 310 40粤ICP备15031900号-1如图1（a）所示，由直径为1mm的304根钢丝制成的网络钢筋图1（b）所示的A03190铝合金基复合材料试样是用金属型自然铸造法制备完成的。复合材料试样为直径50 mm、长度110mm增强相304的体积分数为20%为了保证试样质量，铸件应在炉内冷却和烘箱保温中进行处理。基体和增强体的机械性能示于表1中。3. 实验结果及讨论3.1. 实验计划试验采用C616-1车床、PSSBR 2020 H13刀柄和SNMM 130504图二.实验照片单因素实验法切削参数见表2。3.2. A03190/304复合材料机械加工表面粗糙度表面粗糙度是评价材料可加工性或加工表面质量的最重要参数之一[17]。车削A03190/304网络增强复合材料的切削过程比车削普通金属复杂得多。A03190/304复合材料在车削加工过程中存在着加工表面的不确定性和多样性。因此，对表面粗糙度进行综合评价是非常重要的。粗糙度不仅可以直接反映加工表面的几何形貌，而且可以通过一系列的试验，直观地考察强化对加工表面质量的影响。为了分析切削参数对已加工表面粗糙度的影响，采用三丰SJ-410型表面粗糙度在同一套切削参数下，应分别测量已加工表面（沿圆柱表面旋转约70°）五个不同区域的粗糙度值将最大值和最小值去除后的平均值变化趋势曲线，如图所示。 3、根据加工过程中表面粗糙度的标称值，借助Matlab软件可以得到对应于切削参数变化的表面粗糙度。切削速度、进给量或切削深度对已加工表面粗糙度的影响如图所示。3（a-c）。三个试样已被用于加工实验。图3中的红色、蓝色和棕色曲线分别表示试样1、2、3的加工表面粗糙度与切削参数从图3（a）可以看出，表面粗糙度Ra随着切削速度的增加而减小。当切削速度很低时，切削力很大，切屑流动很慢，切削温度升高，使已加工复合材料软化，甚至产生积屑瘤，使已加工表面质量变差。随着切削速度的增加，切削力和切削热减小，表2切割参数。项目参数切割速度vc（m/min）（ap= 0.1 mm，f=0.05 mm/rev）12.4317.9326.2438.4357.0882.43105.28151.66217.60进给速度f（mm/rev）（ap= 0.1 mm，vc= 105.28 m/min）0.030.050.060.100.130.150.180.210.30切削深度ap（mm）（f= 0.05 mm/rev，vc= 105.28 m/min）0.100.200.300.400.500.600.700.800.901968Y. Qiao等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1966图3.第三章。切削速度对表面粗糙度的影响，进给速度对表面粗糙度的影响，切削深度对表面粗糙度的影响。由于切屑的快速流动，辐射条件变好，切削温度降低。在高切削速度下，不仅刀具磨损小，而且不产生积屑瘤。由此可见，切削速度越高，加工表面粗糙度值越低。如图3（b）所示，随着进给速度从0.03mm/rev增加到0.30 mm/rev，表面粗糙度Ra在从小于4l m到大于20lm的宽范围内增加当进给速度增大时，应从试样上切下而实际上未去除的剩余材料的截面另一方面，随着进给量的增加，切削力和切削温度增加，刀具磨损加剧，已加工表面质量变差。根据以上分析，投喂率越大加工表面粗糙度值越大从图中可以看出。 3（c）切削深度从0.10mm增加到0.90mm时，加工表面粗糙度Ra在3.3 lm ~ 5.1 lm的范围内，随着切削深度的增加，表面粗糙度Ra先减小后逐渐增大。当切削深度很小时，有些待去除的材料实际上没有被切掉，实际上在切削刃下存在挤压。因此，切削刃周围的压力和磨损随着切削深度的增加，上述现象逐渐得到改善，已加工表面粗糙度值会变小。但是，当切削深度大于0.40 mm时，切削力的增加会导致刀具边缘的平均压力增加，使磨损加剧，从而使加工表面粗糙度值增大而不是减小。3.3. A03190/304复合材料机械加工表面的完整性车削加工表面粗糙度的测量结果可以在一定程度上反映加工表面的质量。然而，A03190/304复合材料在切削加工过程中存在着切屑的附着或嵌入及其划伤、增强相与基体相界面裂纹、增强相剥离扭曲、增强相凹凸、基体撕裂或基体表面微裂纹等典型缺陷，这些缺陷它们在评价加工表面质量方面具有重要意义3.3.1. 芯片的附着或插入及其刮擦作为参考文献[3]的研究结果，图4显示了芯片的附着或插入及其刮擦现象。 图4（a）示出了基质相芯片的附接。图4（b）示出了增强相芯片的插入及其刮擦。在低切削速度或小切削深度时，由于切屑过度卷曲，热粘结在已加工表面上，容易出现基体相切屑的附着通过适当提高切削速度或增加切削深度，使切削过程更加合理，可以避免这种现象的发生。在切削过程中，强化相切屑沿刀尖周围的前角流动强化相切屑的硬度远高于基体相，当强化相切屑断裂形成刀片时，会产生划伤现象与基体相切屑的附着相比，强化相切屑的嵌入对已加工表面质量的影响一矩阵相位芯片B增强相芯片刮擦见图4。 (a)基质相芯片的附着。(b)增强相芯片的插入及其划伤。Y. Qiao等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）19661969一凹凸FB矩阵vc加固加固矩阵fvC3.3.2. 基体与钢筋之间的裂缝如果在车削过程中切削力足够大，使基体与增强体之间的粘结被破坏，则会出现如图5所示的裂纹。也就是说，由于冶金结合不好而导致的粘结力太弱或由于大的切削深度和进给速度而导致的切削力太大，都会引起裂纹。通过减少切削深度、减小进给量或提高切削速度等界面裂纹的存在使已加工表面质量明显变差。3.3.3. 钢筋剥离如果基体与增强体之间的结合力不足以承受切割力，增强体将从基体中分离，从而形成剥离，如图所示。 六、这种现象发生在两种情况下。一是冶金结合不好导致结合力太弱，二是切削深度和进给量过大，导致切削力剥脱使加工表面质量变差。3.3.4. 钢筋凹凸由于基体与增强体交界处存在裂纹，有时会出现增强体鼓包现象如图7所示，增强体的凸起在基体与增强体的界面附近呈凹状或凸状凸块高度一般小于50l m3.3.5. 基体撕裂与基体微裂纹基体撕裂是指基体材料表面大面积出现裂纹。 如图 8（a），当切削速度为57.08 m/min，进给量为0.10 mm/rev，切削深度为0.40mm时，A03190/304复合材料基体发生撕裂。基体的撕裂不常见。基体撕裂现象仅在切削速度较低时发生切削速度一vcF加固矩阵裂纹B矩阵加固裂纹图五. (a)钢筋边界附近的裂缝。(b)平行于钢筋轴线的裂缝。vc见图6。 (a)以剥离为增强轴平行于切割速度。(b)以剥离为增强轴，垂直于切割速度。图7.第一次会议。（a）钢筋的凹凸（b）钢筋凸块。B加固矩阵钢筋剥离一矩阵F加固钢筋剥离vcF1970Y. Qiao等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1966vcF撕裂微裂纹图8.第八条。（a）基质撕裂（b）基体微裂纹增大到某一临界值或上限时，基体撕裂不再存在。基体的微裂纹是垂直于切削速度方向的许多细小的短裂纹。如图8（b）所示，A03190/304复合材料在切削速度为105.28 m/min、进给量为0.10 mm/rev、切削深度为0.40 mm时，基体出现微裂纹，通过减小进给量、切削深度或提高切削速度，可以避免基体撕裂或基体微裂纹的产生。试验结果表明，当进给速度小于0.06mm/rev，切削深度小于0.2mm，切削速度大于150m/min时，基体不再撕裂，基体不再产生微裂纹。4. 结论以A03190铝合金为基体，以304镍铬不锈钢为增强体，采用金属型自然铸造法制备了A03190/304复合材料试样采用单因素试验方法对A03190/304复合材料进行了车削加工试验，并对加工表面粗糙度和完整性进行了分析。实验结果表明：（1）加工表面粗糙度随切削速 度的 增 加而 减 小 ; （ 2 ） 进 给速 度 从 0.03 mm/rev 增 加到 0.30mm/rev时，加工表面粗糙度在小于4μ m到大于40 μ m的范围内增大，但随着进给速度的增加，加工表面粗糙度的增大幅度逐渐增大。（3）加工表面粗糙度从20l m3.3l m至5.1l m，切削深度从0.10 mm增加至0.90完整性研究表明，在加工过程中，基体与增强体之间存在着切屑的附着或嵌入及其划伤、基体与增强体之间的裂纹、增强体的剥离、增强体的凸起、基体的撕裂和基体的微裂纹等试验结果表明，减小进给量、减小切削深度或提高切削速度，可以有效地控制已加工当进给速度小于0.06mm/rev，切削深度小于0.2mm，切削速度大于150 m/min时，基体不再撕裂，基体不再产生微裂纹致谢本课题得到了国家自然科学基金泰山学者工程专项基金的资助（编号：51405195）和山东省自然科学基金（编号：ZR2012EEL14）。引用[1] J.M. Kunz，C.C. Bampton，开发和生产用于空间应用的金属基复合材料的挑战，J。Mater. 53（4）（2001）22-25。[2] Ch. Shoba，N. Ramanaiah，D.张文龙，金属基复合材料切削力的实验研究，硕士论文。Sci. Technol. Int. J. 18（4）（2015）658-663。[3] 杨乔，宁凡，于勇，郭培全，网络互穿结构双金属复合材料车削试验研究，硕士学位论文。制造工艺31（5）（2016）653-656。[4] 李文静，舒。玲玲，吴。Gang等人， 网络结构增强金属基复合材料的研究进展。36（7）（2012）1-6。[5] 普拉萨德河陈晓，汽车用铝基复合材料的摩擦学研究，北京：机械工程出版社。Lett.17（3）（2004）445-453。[6] 关。明昌张志良，金属基复合材料制备工艺的发展，热加工技术。 39（16）（2010）93-95。[7] 全利赵庆良，张雪，郭兵，高主轴转速磨削WC/Co和RB-SiC/Si复合材料的表面生成机理，Int. J. 折射。Met. 硬板牙。 56（92）（2016）123-131。[8] 叶海亚阿尔通帕克穆斯塔法是的，塞尔达。张文，复合金属基复合材料的制备，北京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 4 。 J. Adv. 制造商Technol. 60（5）（2012）513-517。[9] R.F. Zinati，M.R. Razfar，聚酰胺6/多壁碳纳米管复合材料端铣表面粗糙度的实验和建模研究，Int. J. Adv. Manuf. Technol. 75（5 -8）（2014）979-989。[10] 郭钧。东，海军。张明周，元静。张，超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料的实验研究，材料与工程。生产工艺28（9）（2013）999-1002。[11] T.S. Mahesh Babu，M.S. Aldrin Sugin，N. Muthukrishnan博士，混合金属基复合材料（Al-SiC-B4 C）加工表面质量特性的研究，Procedia Eng.38（2012）2617-2624。[12] A. Mahamani，通过熔剂辅助合成制备的Al-5Cu-TiB 2原位金属基复合材料的可加工性研究，J. Miner. Mater. Charact. Eng.10（13）（2011）1243-1254。[13] R.C.丹德卡尔，Y.C. Shin，复合材料加工的建模：综述，Int.J.Mach。工具制造57（2）（2012）102-121。[14] Biswajit Das，Susmita Roy，Ram Naresh Rai，S.C. Saha，FAS技术原位合成多组分增强Al-4. 5% Cu-TiC金属基复合材料的开发-工艺参数优化，工程科学。Technol.Int. J.s 19（1）（2016）279-291。[15] S. Biswajit Das，R.N.南卡罗来纳州罗伊李文，应用灰色模糊逻辑优化铝基复合材料的数控铣削参数，工程科学，2001。国际技术杂志19（2）（2016）857-865。[16] 放大图片作者：Deepak Kumar Sahoo，S. Gangopadhyay，C.K.李晓刚，铝/氧化铝复合材料混粉电火花加工过程的建模与多目标优化。Sci. Technol. Int.J.18（3）（2015）369-373。[17] M.E.H.Maher 艾哈迈德？埃利泰卜Sarhan，R.M.El-Zahry，CNC立铣加工中加工参数对加工黄铜（60/40）表面质量影响的研究-ANFIS建模，Int. J. Adv. 制造商Technol. 74（1）（2014）531-537。一B
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